化學變化

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引言

化學變化是形成新的物質形態的過程。小蘇打和醋的混合實驗，可以明顯觀察到化學反應的變化和特徵。

這個實驗也清楚地區分了物質的物理變化和化學變化。透過觀察物質中的化學變化來理解物質的性質。從食物消化到煙花爆炸，再到肥皂去除汙垢，日常生活中進行的各種活動中都可以觀察到化學變化。化學變化是一種化學反應的形式，導致原子排列發生改變。

什麼是化學變化？

化學變化也可以稱為化學反應，這是一個或多種物質轉變為不同新物質的過程。化學變化也被定義為物質原子重新排列的過程。在物質中，當物質吸收或失去能量時會發生變化，這種現象被認為是物質狀態的變化 (Ji *et al.* 2021)。

物質吸收能量時，分子和原子運動加快，從而提高動能。動能推動粒子遠離，從而改變其形態。這種能量被確定為熱能，透過熱能發生化學變化。

在物質狀態中，物理變化通常是可逆的，但化學變化並非如此。在化學變化發生過程中，系統的能量會發生變化。在化學變化過程中，當釋放熱能時，它被稱為放熱反應。另一方面，當反應過程中吸收熱能時，它被稱為吸熱反應。下面列出了突出化學變化現象的主要要點。

• 在化學變化中，原子的種類和數量將始終保持不變，但它們的排列會發生改變 (Schwaller *et al.* 2019)。

• 當一種物質透過化學反應轉化為另一種物質或其他新產物時，就會發生化學變化。

• 有些化學變化是不可逆的，例如鐵生鏽、烹飪、混合、加熱和烘焙。

化學變化：型別

日常生活中存在三種主要的化學反應型別，如下所示。

無機化學變化：不涉及任何碳元素的反應被稱為無機化學反應。例如：混合鹼和酸、氧化還原反應和氧化 (Toscano *et al.* 2020)。

生物化學變化：包括有機化學變化的反應發生在生物體中。這種反應可以由激素和酶控制。例如：克雷布斯迴圈、光合作用、發酵、消化和固氮作用。

有機化學變化：包括有機化合物（如氫和碳）的反應被稱為有機化學反應。例如：原油裂解、鹵化、聚合和甲基化。

化學變化：示例

可以透過以下示例觀察化學變化。

• 蠟燭燃燒：這被認為是化學變化，因為在蠟燭燃燒過程中會釋放光、熱、水蒸氣和${CO_2}$。這種變化是不可逆的，因為初始物質永遠無法恢復，並且可以觀察到能量的損失和獲得。

圖片即將推出

圖1：鐵生鏽

• 鐵生鏽：這是一個氧化反應，因為鐵在${H_2O}$存在下與空氣中的${O_2}$結合生成${Fe_2O_3}$，即水合氧化鐵 (III)，稱為鐵鏽。化學變化後形成的新產物可以用以下公式表示：

$${4Fe+3O_2+6H_2O\rightarrow 4Fe[OH]_3}$$

圖片即將推出

圖2：醋和小蘇打：化學反應

• 醋和小蘇打實驗：當醋${(CH_3COOH)}$與小蘇打${(NaHCO_3)}$混合時，會形成新的產物。混合物會產生${CO_2}$氣泡。如果使用足夠的醋，小蘇打會與醋反應並消失 (Primaryconnections, 2022)。從這種現象可以看出，小蘇打和醋反應生成水${(H_2O)}$、二氧化碳${(CO_2)}$和乙酸鈉${(Na\:CH_3COO)}$。

結論

一旦完成就永遠無法逆轉的反應稱為化學反應。這種反應包括一個或多個物質的原子重新排列。這些物質的化學成分或性質發生的變化被稱為化學反應。因此，它導致形成新的產物或具有不同質地和顏色的產物。將一種物質與另一種物質結合的過程包括分解過程以產生新產物，這可以被稱為化學反應。化學變化總是伴隨著能量和質量，在這個過程中，物質會失去或獲得質量。

常見問題

Q1. 化學反應過程中能量和質量發生變化時會發生什麼？

在化學變化中，物質伴隨著能量和質量，它們會增加或減少質量。由於反應物中鍵的斷裂和產物中新鍵的形成，物質也會獲得或失去能量。

Q2. 如何確定化學反應？

反應物和新產物中存在幾種化學變化的特徵。可以透過溫度變化、氣體逸出、新物質的形成、顏色和質地的變化、沉澱物的形成以及物質狀態的變化來確定化學反應。

Q3. 化學反應是什麼意思？

化學反應通常被定義為化學分解或合成，其中一種物質與另一種物質反應形成一種或多種新物質。例如，在蠟燭燃燒、鐵生鏽、煤或燃料燃燒等過程中可以看到化學變化。

Q4. 化學反應的主要型別是什麼？

在化學變化中，原子的種類和數量保持不變，但它們會重新排列。根據這種現象，存在三種主要的化學變化型別：無機、生物化學和有機化學變化。

參考文獻

期刊

Ji, W., & Deng, S. (2021). Autonomous discovery of unknown reaction pathways from data by chemical reaction neural network. The Journal of Physical Chemistry A, 125(4), 1082-1092. Retrieved from: https://arxiv.org/pdf/2002.09062

Schwaller, P., Laino, T., Gaudin, T., Bolgar, P., Hunter, C. A., Bekas, C., & Lee, A. A. (2019). Molecular transformer: a model for uncertainty-calibrated chemical reaction prediction. ACS central science, 5(9), 1572-1583. Retrieved from: https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acscentsci.9b00576

Toscano, J., Lewandowski, H. J., & Heazlewood, B. R. (2020). Cold and controlled chemical reaction dynamics. Physical Chemistry Chemical Physics, 22(17), 9180-9194. Retrieved from: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/cp/d0cp00931h

網站

Primary connections (2022). About Baking soda and vinegar experiment. Retrieved from: https://www.primaryconnections.org.au [檢索日期：2022年6月27日]